(57)【要約】  光ファイバのＸ軸方向とＹ軸方向の共振周波数差を小さくし、同一の共振周波数で安定した走査性能を得る。本発明に係る光ファイバスキャナ（１０）は、光ファイバ（１１）と、光ファイバ（１１）を振動させる振動部（１９）と、光ファイバ（１１）を固定する固定部（１３）とを備える。振動部（１９）は、圧電素子（１２）と、圧電素子（１２）の振動を光ファイバ（１１）に伝達する弾性部材（１４）とを備える。圧電素子（１２）は、第１の圧電活性領域（２０）および第２の圧電活性領域（２１）と、これらの隣接する端面間を埋めるように配置された圧電不活性領域（２２）とを備える。振動部（１９）の位置において、圧電素子（１２）、光ファイバ（１１）および弾性部材（１４）によって構成される横断面形状の光ファイバ（１１）の長手軸に直交しかつ互いに直交する２軸方向の断面二次モーメントが略同一である。
2018073948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸を有し、先端部から光を射出する光ファイバと、
該光ファイバの先端部を前記長手軸に交差する方向に振動させる振動部と、
前記光ファイバの基端側を固定する固定部とを備え、
前記振動部が、電圧の印加によって振動を発生する圧電素子と、前記先端部よりも基端側の位置において前記光ファイバを保持し、前記圧電素子の振動を前記光ファイバに伝達する弾性部材とを備え、
前記圧電素子が、前記光ファイバの長手軸に沿ってかつ互いに直交して配置され、２枚の電極によって板厚方向に挟まれた帯板状の第１の圧電活性領域および第２の圧電活性領域と、前記第１の圧電活性領域および前記第２の圧電活性領域の隣接する幅方向の端面間の空間を埋めるように配置され両圧電活性領域を接続する圧電不活性領域とを備え、
前記振動部の位置において、前記圧電素子、前記光ファイバおよび前記弾性部材によって構成される横断面形状の前記光ファイバの前記長手軸に直交しかつ互いに直交する２軸方向の断面二次モーメントが略同一である光ファイバスキャナ。
【請求項２】
前記横断面形状が略正方形である請求項1に記載の光ファイバスキャナ。
【請求項３】
前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と１つの前記第２の圧電活性領域とを１つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｌ字形に形成され、
前記弾性部材が、前記光ファイバを長手方向に貫通させる貫通孔を有し横断面略正方形に形成された筒状に形成されている請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
【請求項４】
前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と１つの前記第２の圧電活性領域とを１つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｌ字形に形成され、
前記弾性部材が、前記光ファイバを前記圧電素子との間に挟む横断面略Ｌ字形に形成されている請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
【請求項５】
前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と２つの前記第２の圧電活性領域とを２つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｕ字形に形成され、
前記弾性部材が、前記光ファイバを長手方向に貫通させる貫通孔を有し横断面略正方形に形成された筒状に形成されている請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
【請求項６】
前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と２つの前記第２の圧電活性領域とを２つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｕ字形に形成され、
前記弾性部材が、前記光ファイバを前記圧電素子との間に挟む横断面略長方形に形成されている請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
【請求項７】
前記第１の圧電活性領域の厚さ寸法が、前記第２の圧電活性領域の厚さ寸法よりも大きく形成されている請求項５または６に記載の光ファイバスキャナ。
【請求項８】
光源と、
該光源からの光を走査する請求項１から請求項７のいずれかに記載の光ファイバスキャナと、
該光ファイバスキャナにより走査された光を集光する集光レンズとを備える照明装置。
【請求項９】
請求項８に記載の照明装置と、
該照明装置により被写体に光が照射されたときに、該被写体からの戻り光を検出する光検出部とを備える観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｘ軸方向に振動する圧電素子とＹ軸方向に振動する圧電素子の合計２枚の圧電素子を備え、Ｘ軸方向に振動する圧電素子上に光ファイバが配置された光ファイバスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この光ファイバスキャナでは、共振周波数で駆動される圧電素子がＸ軸方向に振動し、非共振周波数で駆動される圧電素子がＹ軸方向に振動することによって光ファイバを屈曲振動させて光ファイバの先端から射出される光を二次元的に走査するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許８５５３３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に係る光ファイバスキャナでは、Ｘ軸方向に振動する圧電素子とＹ軸方向に振動する圧電素子の断面積や断面二次モーメントが異なるため、Ｘ軸方向と、Ｙ軸方向とでは共振周波数が異なる。このため、Ｘ軸方向に振動する圧電素子とＹ軸方向に振動する圧電素子を同一の共振周波数で動かそうとする場合、Ｘ軸方向とＹ軸方向の間で共振周波数差が発生するため不要な振動が発生し、振動を安定させることが難しいという問題がある。【０００５】
また、特許文献１に係る光ファイバスキャナを、弾性部材の外側面に2枚の圧電素子を接着して直交する2軸の振動を得られる構造にしたとしても、図７に示されるような不均等な構造となるため振動方向が傾く。光ファイバスキャナによる光の走査軌跡の形状は、Ｘ軸方向用の圧電素子とＹ軸方向用の圧電素子の共振周波数に影響されるが、傾いた方向に異なる断面二次モーメントとなると、固有振動数が異なる値となる。その結果、Ｘ軸方向とＹ軸方向との共振周波数差が大きくなり、安定した走査性能を得ることが難しいという問題がある。【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバのＸ軸方向とＹ軸方向の共振周波数差を小さくし、安定した走査性能を得ることができる光ファイバスキャナおよびこれを備える照明装置および観察装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、長手軸を有し、先端部から光を射出する光ファイバと、該光ファイバの先端部を前記長手軸に交差する方向に振動させる振動部と、前記光ファイバの基端側を固定する固定部とを備え、前記振動部が、電圧の印加によって振動を発生する圧電素子と、前記先端部よりも基端側の位置において前記光ファイバを保持し、前記圧電素子の振動を前記光ファイバに伝達する弾性部材とを備え、前記圧電素子が、前記光ファイバの長手軸に沿ってかつ互いに直交して配置され、２枚の電極によって板厚方向に挟まれた帯板状の第１の圧電活性領域および第２の圧電活性領域と、前記第１の圧電活性領域および前記第２の圧電活性領域の隣接する幅方向の端面間の空間を埋めるように配置され両圧電活性領域を接続する圧電不活性領域とを備え、前記振動部の位置において、前記圧電素子、前記光ファイバおよび前記弾性部材によって構成される横断面形状の前記光ファイバの前記長手軸に直交しかつ互いに直交する２軸方向の断面二次モーメントが略同一である光ファイバスキャナである。【０００８】
本発明の第１の態様によれば、第１の圧電活性領域に電圧が印加されると、該第１の圧電活性領域が光ファイバの長手方向に変形することによって光ファイバが第１の径方向に屈曲変形し、光ファイバの先端が第１の径方向に変位する。これにより、光ファイバの先端から射出される光が第１の径方向に走査される。同様に、第２の圧電活性領域に電圧が印加されると、該第２の圧電活性領域が光ファイバの長手方向に変形することによって光ファイバが第２の径方向に屈曲変形し、光ファイバの先端が第２の径方向に変位する。これにより、光ファイバの先端から射出される光が、第１の径方向に交差する第２の径方向に走査される。したがって、第１の圧電活性領域および第２の圧電活性領域に同時に電圧を印加することによって、光を二次元的に走査することができる。【０００９】
この場合に、振動部の位置において、圧電素子、光ファイバおよび弾性部材によって構成される横断面形状の光ファイバの長手軸に直交しかつ互いに直交する２軸方向の断面二次モーメントが略同一であるので、光ファイバスキャナの比重等が不均等になり振動方向が傾いたとしても、Ｘ軸方向と、Ｙ軸方向とで共振周波数を略等しくすることができる。これにより、Ｘ軸方向に振動する圧電素子とＹ軸方向に振動する圧電素子を同一の共振周波数で動かそうとする場合、Ｘ軸方向とＹ軸方向の間で共振周波数差を小さくすることができるので、不要な振動を防止して光ファイバ先端部の振動を安定させることできる。【００１０】
上記第１の態様においては、前記横断面形状を略正方形にすることが好ましい。
このようにすることで、光ファイバの長手軸に直交しかつ互いに直交する２軸方向の断面二次モーメントが略同一となる横断面形状を、容易に加工することができる。【００１１】
上記第１の態様においては、前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と１つの前記第２の圧電活性領域とを１つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｌ字形に形成され、前記弾性部材が、前記光ファイバを長手方向に貫通させる貫通孔を有し横断面略正方形に形成された筒状に形成されることとしてもよい。【００１２】
このようにすることで、横断面略Ｌ字形に形成された１枚の圧電素子の内側面（第１の活性領域の内側面と第２の活性領域の内側面）に、横断面略正方形に形成された筒状の弾性部材の外側面を接合するだけで、振動部の位置における圧電素子、光ファイバおよび弾性部材によって構成される横断面形状を容易に略正方形状に形成することができる。また、長手方向以外の位置合わせが不要となるので、光ファイバスキャナの組立性を向上させることができる。さらに、圧電素子に電力を供給するための配線を、第１の圧電活性領域と１つの第２の圧電活性領域の合計２箇所に設置するだけでよいので、配線作業が少なくなり、光ファイバスキャナの組立を簡略化することができる。
また、光ファイバスキャナの組立工程において、あらかじめ光ファイバを弾性部材に組み込んだ状態に形成されるので、光ファイバを安定的に保持することができる。【００１３】
上記第１の態様においては、前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と１つの前記第２の圧電活性領域とを１つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｌ字形に形成され、前記弾性部材が、前記光ファイバを前記圧電素子との間に挟む横断面略Ｌ字形に形成されることとしてもよい。【００１４】
このようにすることで、横断面略Ｌ字形に形成された圧電素子の端部と、横断面略Ｌ字形に形成された弾性部材の端部とが互いに接するように天地逆に組み合わせるだけで、振動部の位置における圧電素子、光ファイバおよび弾性部材によって構成される横断面形状を容易に略正方形状に形成することができる。このため、長手方向以外の位置合わせが不要となるので、光ファイバスキャナの組立性を向上させることができる。
また、光ファイバスキャナの組立工程において、横断面略Ｌ字形に形成された圧電素子の内面と、横断面略Ｌ字形に形成された弾性部材の内面によって囲まれる空間内に光ファイバを長手方向に挿入することができる。さらに、圧電素子の内面と、弾性部材の内面とによって光ファイバの外周面を４点支持することで、光ファイバをより安定的に保持することができる。さらに、光ファイバを弾性部材に設けた貫通孔に挿入作業が不要となるため、光ファイバスキャナの組立を簡略化することができる。【００１５】
上記第１の態様においては、前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と２つの前記第２の圧電活性領域とを２つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｕ字形に形成され、前記弾性部材が、前記光ファイバを長手方向に貫通させる貫通孔を有し横断面略正方形に形成された筒状に形成されることとしてもよい。
このようにすることで、光ファイバを組み込んだ弾性部材が、横断面略Ｕ字形に形成された圧電素子の空間に配置されるので、横断面略Ｌ字形に形成された圧電素子に弾性部材を組み合わせる場合に比べ、弾性部材の位置ずれを防ぐことができ、組立精度を向上させることができる。【００１６】
上記第１の態様においては、前記圧電素子が、１つの前記第１の圧電活性領域と２つの前記第２の圧電活性領域とを２つの前記圧電不活性領域を介して直交配置することで横断面略Ｕ字形に形成され、前記弾性部材が、前記光ファイバを前記圧電素子との間に挟む横断面略長方形に形成されることとしてもよい。
このようにすることで、光ファイバおよび弾性部材が、横断面略Ｕ字形に形成された圧電素子の空間に配置されるので、横断面略Ｌ字形に形成された圧電素子に弾性部材を組み合わせる場合に比べ、光ファイバや弾性部材の位置ずれを防ぐことができ、組立精度を向上させることができる。【００１７】
上記第１の態様においては、前記第１の圧電活性領域の厚さ寸法が、前記第２の圧電活性領域の厚さ寸法よりも大きく形成されていることとしてもよい。
このようにすることで、Ｘ軸方向における光ファイバの屈曲振動の共振周波数とＹ軸方向における光ファイバの屈曲振動の共振周波数とを近しくし、光ファイバの屈曲振動をより安定させることができる。【００１８】
本発明の第２の態様は、光源と、該光源からの光を走査する上記いずれかに記載の光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナにより走査された光を集光する集光レンズとを備える照明装置である。
また、本発明の第３の態様は、上記記載の照明装置と、該照明装置により被写体に光が照射されたときに、該被写体からの戻り光を検出する光検出部とを備える観察装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、光ファイバのＸ軸方向とＹ軸方向の共振周波数差を小さくし、同一の共振周波数で安定した振動を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る観察装置の全体構成図である。
【図２】図１の内視鏡の挿入部先端の内部構成を示す長手軸に沿った縦断面図である。
【図３】図２の観察装置に備えられる光ファイバスキャナを示す斜視図である。
【図４Ａ】図２の観察装置に備えられる本発明の第１実施形態に係る光ファイバスキャナを示す縦断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの光ファイバスキャナの振動部を線Ａ−Ａに沿って切断した横断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａの光ファイバスキャナを使用した状態を示す横断面図である。
【図５Ａ】本発明の振動部の第２実施形態に係る光ファイバの振動部を示す横断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの振動部の変形例を示す横断面図である。
【図６Ａ】本発明の振動部の第３実施形態に係る光ファイバの振動部を示す横断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの振動部の第１変形例を示す横断面図である。
【図６Ｃ】図６Ａの振動部の第２変形例を示す横断面図である。
【図６Ｄ】図６Ａの振動部の第３変形例を示す横断面図である。
【図７】従来技術に係る光ファイバスキャナの振動部を示す横断面図である。
【図８Ａ】図４Ｂの振動部の組立状態を示す図である。
【図８Ｂ】図５Ａの振動部の組立状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る光ファイバスキャナ１０、照明装置２および観察装置１について図１から図４Ｃを参照して説明する。
本実施形態に係る観察装置１は、図１に示されるように、細長い挿入部３０ａを有する内視鏡３０と、該内視鏡３０に接続された制御装置本体４０と、該制御装置本体４０に接続されたディスプレイ５０とを備えている。観察装置１は、内視鏡３０の挿入部３０ａの先端から射出される照明光を被写体Ａ上でスパイラル状の走査軌跡Ｂに沿って走査し、被写体Ａの画像を取得する光走査型内視鏡装置である。
【００２２】
本実施形態に係る観察装置１は、図１および２に示されるように、被写体Ａに照明光を照射する照明装置２と、照明光が照射されることによって被写体Ａから戻る戻り光を検出するフォトダイオードのような光検出部３と、照明装置２および光検出部３を駆動制御する制御部４とを備えている。光検出器３および駆動部４は制御装置本体４０内に設けられている。
【００２３】
照明装置２は、照明光などの光を発生する光源５と、該光源５からの光を走査する光ファイバスキャナ１０と、該光ファイバスキャナ１０よりも先端側に配置され、光ファイバスキャナ１０から射出された照明光を集光させる集光レンズ６と、光ファイバスキャナ１０および集光レンズ６を収納する細長い筒状の枠体７と、該枠体７の外周面上に周方向に配列して設けられ、被写体Ａからの戻り光（例えば、照明光の反射光や蛍光）を光検出部３に導光する検出用光ファイバ８とを備えている。
【００２４】
光ファイバスキャナ１０は、図１から図４Ａに示されるように、光源５からの光を導光し先端から射出させるマルチモードファイバまたはシングルモードファイバのような照明用光ファイバ（光ファイバ）１１と、該照明用光ファイバ１１の外周面に固定されてこの光ファイバ１１を保持する弾性部材１４と、該弾性部材１４の外面に固定された圧電素子１２と、弾性部材１４の基端側に設けられ、照明用光ファイバ１１を枠体７に固定する固定部１３とを備えている。圧電素子１２には、交番電圧を供給するためのリード線１５が接続されている。光源５は照明用光ファイバ１１の基端に接続されている。
【００２５】
照明用光ファイバ１１は、横断面円形の細長いガラス材からなるマルチモードファイバまたはシングルモードファイバであり、枠体７の長手方向に沿って配されている。照明用光ファイバ１１の先端は、枠体７の内部の先端部近傍に配されており、照明用光ファイバ１１の基端は、枠体７の基端から外部へ延びて光源５に接続されている。
【００２６】
圧電素子１２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの全体にわたって均質な圧電セラミックス材料からなり、継ぎ目の無い一体構造を有する。圧電素子１２は、図３から図４Ｃに示されるように長手方向と直交するＸＹ平面における横断面が略Ｌ字形に形成されている。このような圧電素子１２は、例えば、角柱状の圧電材料から切り出すことによって作製される。
以下、照明用光ファイバ１１の長手方向をＺ軸方向とし、照明用光ファイバ１１の互いに直交する２つの径方向をＸ軸方向およびＹ軸方向として説明する。
【００２７】
圧電素子１２は、図３および図４Ｂに示されるように、照明用光ファイバ１１の長手軸に沿い、Ｘ軸方向に隣接する第１の圧電活性領域２０と、照明用光ファイバ１１の長手軸に沿い、Ｙ軸方向に隣接する第２の圧電活性領域２１と、第１の圧電活性領域２０と第２の圧電活性領域２１の隣接する幅方向の端面間の空間を埋めるように配置された両圧電活性領域を接続する圧電不活性領域２２とから構成されている。
【００２８】
圧電素子１２の第１の圧電活性領域２０および第２の圧電活性領域２１の外面には＋（プラス）の電極処理が施され、内面には−（マイナス）の電極処理が施されている。これによって＋極から−極に向かって板厚方向に分極しており、電圧を印加した時に分極方向に対して直行する方向に伸縮振動（横効果）する。
第１の圧電活性領域２０の内面および外面には電極２３が形成されており、内面と外面との間の領域において圧電材料がＸ軸方向に分極している。また、第２の圧電活性領域２１の内面および外面にも電極２３が形成されており、内面と外面との間の領域において圧電材料がＹ軸方向に分極している。なお、図４Ｂ中の矢印は分極方向を示している。
【００２９】
圧電素子１２には、第１の圧電活性領域２０および第２の圧電活性領域２１の外面に接着されるリード線１５から電圧が印加されるようになっている。具体的には、第１の圧電活性領域２０にはＡ相の交番電圧が印加され、第２の圧電活性領域２１にはＢ相の交番電圧が印加されることで、弾性部材１４を介して屈曲振動が照明用光ファイバ１１に伝達され、照明用光ファイバ１１の射出端が、Ｚ軸方向に交差するＸ軸方向およびＹ軸方向に変位させられて振動するようになっている。
【００３０】
弾性部材１４は、四角筒状に形成されており、図４Ｂに示されるように、長手方向（Ｚ軸方向）から見た横断面が略正方形状に形成されている。この弾性部材１４の中央には、照明用光ファイバ１１を貫通させる貫通孔が形成されている。弾性部材１４は、例えば、ジルコニア（セラミック）やニッケル等の導電性を有する金属材料や樹脂材料から形成される。
【００３１】
圧電素子１２の第１の圧電活性領域２０の平坦な内面および第２の圧電活性領域２１の平坦な内面が弾性部材１４の２つの平坦な外面にそれぞれ接着剤により固定されることで振動部１９を形成している。図４Ｂに示されるように、振動部１９の位置において、圧電素子１２、光ファイバ１１および弾性部材１４によって構成される長手方向（Ｚ軸方向）から見た横断面は、略正方形状に形成されている。
【００３２】
固定部１３は、中央孔を有する略円環状の導電性部材であり、図３に示されるように、圧電素子１２よりも基端側に位置する弾性部材１４を中央孔に嵌合させた状態で接着剤により固定されている。図２に示されるように、固定部１３の外周面は、枠体７の内壁に固定されており、弾性部材１４は片持ち梁状に固定部１３によって支持され、照明用光ファイバ１１の先端部は、先端を自由端とする片持ち梁状に弾性部材１４によって支持されている。弾性部材１４の基端側にはＧＮＤ線１６が接続されている。
【００３３】
固定部１３は、弾性部材１４を介して圧電素子１２の第１の圧電活性領域２０および第２の圧電活性領域２１の内面と電気的に接続されており、圧電素子１２の第１の圧電活性領域２０および第２の圧電活性領域２１を駆動する際の共通ＧＮＤとして機能するようになっている。
【００３４】
リード線１５およびＧＮＤ線１６は、導電性を有する線材（例えば、銅、アルミニウム等）から形成されている。図２に示されるように、リード線１５およびＧＮＤ線１６の基端側は制御部４に接続されている。
【００３５】
このように構成された本実施形態に係る光ファイバスキャナ１０、照明装置２および観察装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置１を用いて被写体Ａを観察するには、制御部４を作動させ、光源部５から照明用光ファイバ１１に照明光を供給させるとともに、リード線１５を介して圧電素子１２に所定の駆動周波数を有する交番電圧を印加させる。
【００３６】
Ａ相の交番電圧が印加された第１の圧電活性領域２０は、分極方向に直交するＺ軸方向に伸縮振動することにより、弾性部材１４を介して、照明用光ファイバ１１の先端にＸ軸方向の屈曲振動が伝達される。これにより、図３に示されるように、照明用光ファイバ１１の先端が交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＸ軸方向に屈曲振動してＸ軸方向に振動し、先端から射出される照明光がＸ軸方向に直線的に走査される。
【００３７】
同様に、Ｂ相の交番電圧が印加された第２の圧電活性領域２１は、分極方向に直交するＺ軸方向に伸縮振動することにより、弾性部材１４を介して、照明用光ファイバ１１の先端にＹ軸方向の屈曲振動が伝達される。これにより、図３に示されるように、照明用光ファイバ１１の先端が交番電圧の駆動周波数と等しい周波数でＹ軸方向に屈曲振動してＹ軸方向に振動し、先端から射出される照明光がＹ軸方向に直線的に走査される。
【００３８】
被写体Ａからの戻り光は、検出用光ファイバ８によって受光され、その強度が光検出部３によって検出される。制御部４は、照明光の走査周期と同期して光検出器３に戻り光を検出させ、検出された戻り光の強度を照明光の走査位置と対応付けることによって被写体Ａの画像を生成する。生成された画像は、制御装置本体４０からディスプレイ５０に出力されて表示される。
【００３９】
ここで、構造体一般における固有振動数ついて説明すると、固有振動数(共振点)は、下記の計算式（1）で表現することができる。
ｆｎ＝（ｋｎ2／２π）√（ＥＩ／ρＡＬ4）・・・・・（１）
ｆｎ：固有振動数
ｋｎ：固有値に対応した定数
Ｅ：縦弾性係数
Ｉ：断面二次モーメント
Ａ：断面積
Ｌ：長さ
ρ：密度
従って、構造物一般において、式（１）に含まれる各パラメータを変更することにより、固有振動数を変化させることができる。
【００４０】
本実施形態に係る光ファイバスキャナ１０は、図４Ｂに示されるように、圧電素子１２が１つの第１の圧電活性領域２０と１つの第２の圧電活性領域２１とを１つの圧電不活性領域２２を介して直交配置して横断面略Ｌ字形に形成されている。より詳細には、圧電素子１２の第１の活性領域２０の内側面と第２の活性領域２１の内側面に、横断面略正方形に形成された弾性部材１４の外側面を接合することで、振動部１９の位置における横断面形状を略正方形状に形成した均等構造となっている。このように形成されているので、比重等の不均等さによって振動方向が傾いたとしても、図４Ｃに示されるように、傾いた方向に断面中心を中心として同一断面二次モーメントとなる。この結果、固有振動数が略同じ値となり、光ファイバのＸ軸方向とＹ軸方向との共振周波数差が小さくなるのでＸ軸方向とＹ軸方向の振動を安定させることができる。
【００４１】
また、振動部１９の位置における横断面が、横断面略Ｌ字形に形成された圧電素子１２と横断面略正方形に形成された弾性部材１４とを組み合わせて略正方形状に形成されているので、照明用光ファイバ１１の長手方向（Ｚ軸方向）に互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向での断面二次モーメントとが略同一となる横断面形状を容易に加工することができる。
【００４２】
さらに、圧電素子１２が有する互いに垂直な２つの内面に弾性部材１４の外面を突き当てることによって、圧電素子１２に対して弾性部材１４が所定の位置に位置決めされることから、長手方向以外の位置合わせが不要となる。これにより、光ファイバスキャナ１０の組立精度を向上し、所望の走査性能を有する光ファイバスキャナ１を安定的に製造することができるという利点がある。さらにまた、圧電素子１２に電力を供給するための配線１５を、第１の圧電活性領域２０と第２の圧電活性領域２１の合計２箇所に設置するだけでよいので、配線作業が少なくなり、光ファイバスキャナ１０の組立を簡略化することができる。
【００４３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る光ファイバスキャナ１０、照明装置２および観察装置１について図５Ａおよび図５Ｂを参照して説明する。本実施形態においては、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
本実施形態に係る光ファイバスキャナ１０は、図５Ａに示されるように、弾性部材１４が長手方向（Ｚ軸方向）から見た横断面が略Ｌ字形である多角柱状に形成されている点で、第１の実施形態と異なっている。弾性部材１４は、継ぎ目の無い一体構造を有する。このような弾性部材１４は、例えば、角柱状の材料から切り出すことによって作製される。
【００４５】
本実施形態においては、弾性部材１４が圧電素子１２よりも小さくかつ圧電素子１２と相似形、即ち略Ｌ字形の横断面となっている。図５Ａに示されるように、弾性部材１４の２つの端面が圧電素子１２の２つの内面（第１の活性領域２０の内側面と第２の活性領域２１の内側面）に接合することで、振動部１９の位置における横断面形状を略正方形状に形成した均等構造となっている。
このようにすることで、Ｘ軸方向とＹ軸方向での断面二次モーメントが略同一となる横断面形状を容易に加工にすることができる。また、長手方向以外の位置合わせが不要となるので、光ファイバスキャナ１０の組立性を向上させることができる。
【００４６】
圧電素子１２は第１の圧電活性領域２０の内面と第２の圧電活性領域２１の内面である２つの内面を有しており、弾性部材１４は、略Ｌ字形の内面である２つの内面を有している。圧電素子１２の２つの内面と、弾性部材１４の２つの内面はそれぞれ、照明用光ファイバ１１の半径と略同一である同一の高さ寸法を有している。
【００４７】
照明用光ファイバ１１は、第１の圧電活性領域２０の内面および第２の圧電活性領域２１の内面と、弾性部材１４の２つの内面によって囲まれた空間内に配置され、照明用光ファイバ１１の外周面が、これら４つの内面によって周方向に９０°ずつずれた４点において支持されている。したがって、照明用光ファイバ１１をより安定的に保持することができる。また、弾性部材１４には、照明用光ファイバ１１を挿入するための貫通孔を設ける必要が無く、照明用光ファイバ１１の加工が容易となる。さらに、圧電部材１２の２つの内面と弾性部材１４の２つの内面とによって囲まれた空間内に照明用光ファイバ１１を挿入すればよいので、光ファイバスキャナ１０の組立をより簡便化することができる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、弾性部材１４が圧電素子１２よりも小さくかつ圧電素子１２と相似形であることとしたが、これに代えて、図５Ｂに示されるように、弾性部材１４が圧電素子１２よりも大きくかつ圧電素子１２と相似形であることとしてもよい。この場合には、図５Ｂに示されるように、弾性部材１４の２つの内側面に圧電素子１２の２つの端面を接合させて振動部１９の位置における横断面形状を略正方形状に形成した均等構造となる。
【００４９】
このようにすることで、Ｘ軸方向とＹ軸方向での断面二次モーメントが略同一となる横断面形状を容易に加工にすることができる。なお、弾性部材１４の材料として樹脂材料を用いることとすれば、振動部１９全体のＱ値が下がり、振動をさらに安定させることができる。
【００５０】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る光ファイバスキャナ１０、照明装置２および観察装置１について図６Ａから図６Ｄを参照して説明する。本実施形態においては、第１および第２の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１および第２の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
本実施形態に係る光ファイバスキャナ１０は、図６Ａから図６Ｄに示されるように、圧電素子１２が、長手方向と直交するＸＹ平面における横断面が略Ｕ字形に形成されている点で、第１および第２の実施形態と異なっている。
【００５２】
本実施形態において、圧電不活性領域２２は、１つの第１圧電活性領域２０の両端部と、２つの第２の圧電活性領域２１における第１の圧電活性領域２０側に位置する端部との間に設けられている。したがって、圧電素子１２は、第１圧電活性領域２０の反対側が開放されている。
【００５３】
本実施形態においては、弾性部材１４が、長手方向（Ｚ軸方向）から見た横断面が略正方形状に形成されている。そして、弾性部材１４の中央には、照明用光ファイバ１１を貫通させる貫通孔が形成されている。図６Ａに示されるように、弾性部材１４の３つの外面が圧電素子１２の３つの内面（１つの第１の活性領域２０の内側面と２つの第２の活性領域２１の内側面）に接合することで、振動部１９の位置における横断面形状を略正方形状に形成した均等構造となっている。
このようにすることで、Ｘ軸方向とＹ軸方向での断面二次モーメントが略同一となる横断面形状を容易に加工にすることができる。また、長手方向以外の位置合わせが不要となるので、光ファイバスキャナ１０の組立性を向上させることができる。
【００５４】
圧電素子１２は１つの第１の圧電活性領域２０の内面と２つの第２の圧電活性領域２１の内面である３つの内面を有しており、図６Ａに示されるように、弾性部材１４の３つの外面がこの３つの内面に接している。照明用光ファイバ１１は、弾性部材１４の中央設けられた貫通孔にＺ軸方向に挿入されている。
【００５５】
本実施形態においては、第１の実施形態および第２の実施形態と比較して、弾性部材１４の圧電素子１２に対する配置性が向上する。すなわち、横断面略Ｌ字形の圧電素子１２に横断面略正方形や横断面略Ｌ字形の弾性部材１４を組み合わせて振動部１９を形成すると、図８Ａや図８Ｂに示されるように、弾性部材１４がＸ軸方向やＹ軸方向に位置ずれし、組立精度が低下する場合があるが、本実施形態では、弾性部材１４が、横断面略Ｕ字形に形成された圧電素子１２の空間内に配置されるので、Ｘ軸方向の位置ずれを防ぐことができ、組立精度を向上させることができる。
【００５６】
なお、本実施形態においては、弾性部材１４を横断面略正方形状に形成し、その中央に照明用光ファイバ１１を貫通させることとしたが、これに代えて、弾性部材１４を横断面略矩形状（図６Ｂ、図６Ｄ参照）や、横断面略Ｕ字形（図６Ｃ参照）に形成し、圧電素子１２の内面と弾性部材１４の外面により囲まれた空間内に照明用光ファイバ１１を配置することとしてもよい。
このようにすることで、照明用光ファイバ１１の外周面が、周方向に９０°ずつずれた４点において支持されるため、照明用光ファイバ１１をより安定的に保持することができる。また、弾性部材１４には、照明用光ファイバ１１を挿入するための貫通孔を設ける必要が無く、照明用光ファイバ１１の加工が容易となる。さらに、圧電素子１２の内面と弾性部材１４の外面により囲まれた空間内に照明用光ファイバ１１を挿入すればよいので、光ファイバスキャナ１０の組立をより簡便化することができる。
【００５７】
また、図６Ａおよび図６Ｃに示されるように、圧電素子１２の第１の圧電活性領域２０の厚さ寸法が、第２の圧電活性領域２１の厚さ寸法よりも大きく形成されることとしてもよい。なお、図６Ａおよび図６Ｃに開示の例では、第１の圧電活性領域２０が、第２の圧電活性領域２１の約２倍の厚さ寸法に形成されている。
このようにすることで、Ｘ軸方向における照明用光ファイバ１１の屈曲振動の共振周波数とＹ軸方向における照明用光ファイバ１１の屈曲振動の共振周波数とを近しくし、光照明用光ファイバ１１の屈曲振動をより安定させることができる。
第１の圧電活性領域２０を、第２の圧電活性領域２１の約２倍の厚さ寸法とすれば、Ａ相およびＢ相の交番電圧の大きさが等しいときにＸ軸方向およびＹ軸方向における光照明用光ファイバ１１の先端の屈曲振動の振幅が等しくなる。すなわち、第１の圧電活性領域２０および第２の圧電活性領域２１のそれぞれに等しい大きさの交番電圧を供給すればよく、交番電圧の制御を容易にすることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１  観察装置
２  照明装置
３  光検出部
４  制御部
５  光源
１０  光ファイバスキャナ
１１  光ファイバ（照明用光ファイバ）
１２  圧電素子
１３  固定部
１４  弾性部材
１５  リード線
１９  振動部
２０  第１の活性領域
２１  第２の活性領域
２２  不活性領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【国際調査報告】
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